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Fraunhofer IAF

Galliumnitrid-Schaltungen monolithisch integriert

10. November 2016, 10:37 Uhr | Ralf Higgelke

Aus GaN lassen sich nicht nur außergewöhnliche Einzelschalter fertigen. Da sich durch ihre laterale Struktur weitere Schaltungsteile monolithisch integrieren lassen, steigt auch der Funktionsumfang der Bauteile.

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von Richard Reiner, Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik (IAF).

Erste kommerziell erhältliche GaN-Transistoren zeigen erstklassige Eigenschaften in Bezug auf Leistungsdichte und Schaltverhalten. Im direkten Vergleich zu konventionellen Siliziumbauelementen ist ihr Durchlasswiderstand bei gleicher Bauteilgröße kleiner und in Schaltanwendungen reduzieren sie die Schaltverluste. Trotzdem sollte man die GaN-Technologie nicht einfach nur als einen Ersatz für Silizium betrachten. Ein Verständnis der Unterschiede ist für den richtigen Einsatz entscheidend. Darüber hinaus eröffnen sich mit dieser Technologie völlig neue Möglichkeiten, die über den Funktionsumfang eines einfachen Leistungstransistors hinausgehen.

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Im Unterschied zu den konventionellen vertikalen Transistorstrukturen wie Power-MOSFETs oder IGBTs beruhen GaN-Transistoren auf einer lateralen HEMT-Struktur (High Electron Mobility Transistor). Das bedeutet der Durchlassstrom fließt anders als bei vertikalen Bauelementen nicht durch das Bulk-Material, sondern lateral nahe der Chipoberfläche. Damit sind alle Anschlüsse (Drain, Gate, und Source) auf der Chipoberseite und lassen sich über Leiterbahnen verdrahten. Durch die laterale Beschaffenheit lassen sich auch mehre Transistoren auf einem Chip platzieren. Isolierte Bereiche können diese Komponenten voneinander trennen. Damit lassen sich Schaltungsteilen oder ganzen Leistungstopologien auf einem Chip integrieren (Bild 1). Ein weiterer Vorteil einer lateralen Struktur ist, dass man die GaN-Komponenten auf großflächigen, kostengünstigen Si-Trägersubstraten prozessieren kann. Dadurch hat diese Technologie gegenüber anderen neu auf den Markt gebrachten Leistungshalbleitern wie Siliziumkarbid (SiC) einen enormen Kostenvorteil und eignet sich so für Massenanwendungen.

Was ist ein effizienter Schalttransistor?

Bei Leistungstransistoren bestimmt der Durchlasswiderstand R_ON die Leitungsverluste (R_ON ∙ I_D²). Deshalb gilt der flächenspezifische Durchlasswiderstand R_ON ∙ A als Vergleichsmaß für die Effizienz. Gerade GaN- oder SiC-Bauelemente erzielen hier kleine Werte. Im Vergleich zu Si-Bauelementen lässt sich daher mit den Wide-Bandgap-Halbleitern auf gleicher Bauteilfläche ein deutlich kleinerer Durchlasswiderstand erreichen. Allerdings ist die Siliziumtechnologie noch deutlich kostengünstiger, sodass man mit größerer Chipfläche bei noch immer geringen Kosten einen genauso niederohmigen Leistungstransistor in Silizium bauen kann. Der kleine flächenspezifische Durchlasswiderstand alleine ist also noch kein ausschlaggebendes Argument für GaN und SiC.

Die Vorteile zeigen sich beim Schaltverhalten. Durch schnell schaltende Leistungstransistoren kann die Schaltfrequenz f_SW steigen. Somit lassen sich Anwendungen mit kleineren Spulen und Kondensatoren kompakter, leichter und kostengünstiger entwickeln. Das sind Eigenschaften, die in nahezu in allen Anwendungsbereichen von größter Bedeutung sind, besonders aber für die Bereiche Automotive, Luft- und Raumfahrt sowie mobile Geräte.

Bei hohen Schaltfrequenzen bestimmen auch die Schaltverluste die Effizienz einer Anwendung. Diese Verluste entstehen während der Ein- und Ausschaltzeit t_SW des Transistors, sie können in der Schaltanwendung angenähert berechnet werden:

P_LOSS,SW ≈ U_DS,OFF ∙ I_D,ON ∙ t_SW ∙ f_SW

Die Schaltzeit t_SW ist die Zeit, während der der Transistor über das Gate Ladungsträger aufnimmt und zu leiten beginnt oder Ladungsträger abgibt und zu sperren beginnt. Die Ladungsmenge Q_G = I_G ∙ t_SW wird dabei als Gate-Ladung bezeichnet. Damit ist dieser Wert der bestimmende Bauteilparameter für die Schaltverluste.

Ein Transistor mit viel Bauteilfläche hat eine große Ladung, allerdings kann man auf großer Chipfläche auch einen kleinen Durchlasswiderstand erzielen. Umgekehrt hat ein Transistor auf kleiner Fläche eine kleine Ladung aber einen großen Durchlasswiderstand. Aus diesem Gegensatz lässt sich eine aussagekräftige Kennzahl für effiziente Leistungstransistoren ableiten. Ein kleines Produkt aus dem Durchlasswiderstand und der Schaltladung R_ON ∙ Q_G gilt daher als wichtiger Faktor für effiziente und schnell schaltende Leistungsbauelemente. Wegen hoher Leistungsdichte erzielen auch hier GaN- und SiC-Bauelemente deutlich kleinere Werte als solche aus Silizium. Bild 2 zeigt die Kennzahl R_ON ∙ Q_G in Abhängigkeit der maximalen Sperrspannung. GaN-Transistoren haben demnach bereits heute einen um etwa Faktor 10 kleineren Wert als moderne Siliziumtransistoren derselben Spannungsklasse. Von diesen Bauteilen ist daher ein Entwicklungssprung bei effizienten und kompakten Schaltanwendungen zu erwarten.